万物渺小且有灵
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万物渺小且有灵。生物机体内的每一个细胞在永不停息的竞争中催发出惊人的智慧、昂扬的斗志和蓬勃的生命力。在适应自然，与天敌抗争的过程中，或大或小、形态各异的生灵进化出巧妙契合力学原理、令人惊叹的生理结构和生存能力。这些动物进化过程中形成的生存技能堪称自然界的奇迹工程。从猎豹的疾驰到螳螂虾的迅猛，从邓氏鱼的强力撕咬到猫头鹰的灵敏听力，自然界的奇迹工程无处不在，也激发了人类的奇思妙想，许多发明因此诞生。
万物渺小且有灵
——自然界的奇迹工程
撰文、供图/芝加哥菲尔德自然历史博物馆
编译/孟宛音
生命的基本元素：结构与材质
生存不易，在地球上我们每时每刻都在遭受风、水和重力的冲击，随时可能面临分崩离析的危险。但幸运的是，很多生物都在与自然的抗争和适应中，进化出了适得其所的生理结构，有些甚至进化出达到“军事装备”级别的防御机制。
为了支撑和承受重力，自然界常见的是骨骼或贝壳等钙质材料。在此基础之上，皮肤的伸展、骨头的弯曲、软骨组织的压缩和反弹都离不开胶原蛋白、纤维素和角蛋白，它们可令身体灵巧，活动自如。组成树干、羽毛和骨骼的材质既有硬基物质又有弹性纤维，可保证生物在支撑和承重的同时活动自如。同理，人类的骨骼也同时含有钙质和胶原蛋白，如果没有胶原蛋白，轻微的震动都会引起严重的骨折。
啄木鸟是森林中的安全卫士，一天可发出500～600次的啄木声，啄木鸟在啄木时的速度比声速还要快，从而形成巨大的冲击力，但其大脑却不会因此受损。原因在于啄木鸟头颅内外独特的材质和构造。研究表明：啄木鸟的头颅骨质松而充满气体；头的内部有一层坚韧的外脑膜，在外脑膜与脑髓间有狭窄的空隙，可以减弱震波的流体传动。另外，其头部两侧的肌肉系统发达，也有防震作用。
■ 啄木鸟在啄木时的速度比声速还要快，从而形成巨大的冲击力，但其大脑却不会因此受损。
圆形结构在生物构造中司空见惯，其中却蕴含着生存智慧。骨骼和贝壳这些承重和支撑的刚性结构证明了圆形是最好的保护结构，比如人类的头骨、龟甲以及马蹄蟹的甲壳等。圆形构造是如此“坚强”，以致一只鸡蛋在其破碎前可承受90磅的压力。
■ 圆形结构在生物构造中司空见惯，其中却蕴含着生存智慧。骨骼和贝壳这些承重和支撑的刚性结构证明了圆形是最好的保护结构。
畅达的内置动力：泵和导管
当生物的外部在迎接挑战的同时，内在结构也在进行着另一场生存战斗。生物身体内部类似于泵的动力装置——心脏，在压力的作用下，利用血液和脉管系统，将氧气和营养物质带给全身细胞享用。一个突出的例子则是长颈鹿。长颈鹿是陆地上最高的生物，头部和心脏的距离长达3米，长颈鹿因此进化出了硕大的心脏，重达12公斤，收缩十分有力。越过大脑和心脏之间的长距，心脏一次收缩泵出的大量血液能有效保证大脑的血液供给，因此，长颈鹿的血压要高出直立行走的人类许多。
温血动物、冷血动物和昆虫的心脏供血模式各不相同。温血动物如鸟类和哺乳类，心脏由四个彼此隔绝的心腔组成，通过两条相对独立的路径，将血液泵入肺循环和体循环。而冷血动物如鱼类、两栖类和爬行类动物则拥有较少的心腔，根据不同的生存方式输送血液。有的昆虫有多个心脏，通常为一系列按节膨大的囊，并运用气管而不是肺进行气体交换。
植物没有所谓的心脏，输送水分和营养物质的方式和动物有本质不同。根从土壤中吸收水分，通过木质部向上运输（木质部是维管植物的运输组织，由导管、管胞、木射线、薄壁组织和木纤维构成）。春回大地，地气蒸腾，万物生发时木质部会变宽，可以输送更多的水分和养料促进植物生长。木质部最宽也不过半毫米，却能在一天之内将几百加仑的水分输送至高达300英尺的树木顶端的叶片上。
■ 长颈鹿是陆地上最高的生物，头部和心脏的距离长达3米，长颈鹿因此进化出了硕大的心脏，重达12公斤，收缩十分有力。越过大脑和心脏之间的长距，心脏一次收缩泵出的大量血液能有效保证大脑的血液供给。
绝地生存：调节体温的智慧
在撒哈拉沙漠和北冰洋这样极端的自然环境下，动物又是如何调节体温、延续生命的呢？在极端的气候条件下，动物进化出不计其数的方法维持体温正常，动物身体器官的形状、大小和颜色都可以成为调节体温的凭借。
巨嘴鸟的长喙和狐狸耳朵的大小是动物凭借身体器官大小调节体温的有趣例证。巨嘴鸟生活在热带雨林地区，昼夜温差大，其长喙表层分布有很多血管，有助于通过血液流动降温。当气温升高时，巨嘴鸟的长喙可助其散发掉身体热量的一半。所以，在巨嘴鸟休息的时候，其长喙必须藏在翅膀下面以防止热量过度流失。同样道理，生活在热带沙漠的非洲大耳狐则利用其宽大的耳朵调节体温。遍布于宽大耳朵的血管可以帮助非洲大耳狐迅速散热，以适应沙漠炎热的气候。
生活在寒冷地区的动物比在温暖环境中的同物种体型要大。虽然在寒冷地区缺少食物，生存艰难，但是体型庞大却可以更有效地储存热量。体积越大越不容易丧失热量。其原理在于：热量从生物体内部产生，通过体表丧失。在同等条件下，体积比表面积增长速度快，因此产热体积与散热表面积之比与体积成正比，即体积越大，产热/散热比就越大，越不容易丧失热量。
有些物种则通过颜色来调节体温。比如一些生活在寒带的蝴蝶，胸部区域为黑色，以便它们在振翅飞行的过程中吸收到更多来自太阳的热量。
不管生物体调节和维持体温的方式有何不同，它们的基本原理却是一致的：它们维持体温的智慧在于创造出类似绝缘体性质的功能，从而使自身的体温不受外界的过多干扰。
■ 生活在热带沙漠的非洲大耳狐利用宽大的耳朵调节体温。遍布于宽大耳朵的血管可以帮助非洲大耳狐迅速散热，以适应沙漠地带炎热的气候。
力量的展示：尖牙和利爪
捕食猎物，是动物的生存本能。动物通过牙齿和爪子来向世界展示它们的力量。动物抓咬的动力来自肌肉和关节。肌肉提供行动动力，关节则遵循杠杆原理强化动物抓咬的能力。根据力学原理，下颚的形状是影响咬合力的重要因素。短而厚的下颚（如人类和霸王龙），咬合力度大；长而纤细的下颚（如海豚或鹳），则咬合速度快。
■ 大齿蚂蚁微小独特的下颚在捕食猎物时创造出动物王国最快的攻击速度——是“眨眼之间”速度的2000多倍。
色彩迷人的螳螂虾，其实是凶狠的海洋杀手。螳螂虾身体前方的两个捕食附肢是强大的“杀人利器”，依弹簧原理来看，其附肢力量的奥妙在于惊人的速度，“这对附肢伸出时可加速至22口径步枪子弹的出射速度，并且能在不到三千分之一秒的时间内以1500牛（牛顿，简称牛，是一种衡量力的大小的国际单位）的力量击杀猎物。”螳螂虾挥动附肢的速度如此之快，会令其周围的水像煮沸一样不断产生塌缩的水泡，“当这些空穴泡塌缩时，会产生海底冲击波”。螳螂虾依靠弹力助速，创造出强大的冲击波，甚至可以击碎玻璃。
研究表明，迄今为止咬合力最强的物种是一种已经灭绝的鱼类—邓氏鱼，巨大咬合力使其成为海洋中的顶级捕食者，邓氏鱼在嘴部肌肉的一张一合间，快速释放出的咬合力重达1200磅（540公斤）。
■ 邓氏鱼头部模型。迄今为止咬合力最强的物种是一种已经灭绝的鱼类——邓氏鱼，巨大咬合力使其成为海洋中的顶级捕食者。
生命的律动：奔跑、跳跃、飞翔与遨游
在漫长的演化岁月中，物种的生命之树分化出不同的行动模式。现代两栖动物是1.6亿年前陆地上的第一个步行者，它们蠕动腹部，在陆地上匍匐前进。爬行动物相较于两栖动物，进化出足，尽管动力微弱，但不用再依靠腹部行动。而哺乳类动物又在爬行动物的基础上进化出不同的步态和速度，实现了从步行到奔跑的飞跃。众所周知，猎豹是地球上奔跑速度最快的哺乳类动物，究其原因则是猎豹脊柱中额外的弹簧装置。猎豹充满弹性的脊柱可令其在奔跑时拉大跨幅，从而提高速度。
■ 猎豹是地球上奔跑速度最快的哺乳类动物，充满弹性的脊柱可令其在奔跑时拉大跨幅，从而提高速度。
除了在陆地上行走，动物还需要在天空中飞翔和大海中遨游，它们进化出最适合自己的行动模式。在天空和水中，动物利用流体动力去行动。对于鸟类来说，短翅起飞快，但在飞行过程中需要消耗的热量大，不利于长时间飞行，长翅则反之。而生活在海洋中的鱼类，行动方式也不尽相同。一些鱼类善用尾巴，身体可保持稳定并且速度较快，但难以回转；而另一些用鳍，这样易于操作，但是却速度慢、效率低下。
奔跑和跳跃，飞翔和遨游，不管以怎样的方式行动，生物在与地球引力的撕扯中创造的生命律动，是我们生存的这个星球上最为动人的风景。
■ 对于鸟类来说，短翅起飞快，但在飞行过程中需要消耗的热量大，不利于长时间飞行，长翅则反之。
解码世界的奥秘：听觉、视觉与嗅觉
为了导航、捕食和交流，动物在危机四伏的生存环境中进化出极其敏锐的听觉、视觉和嗅觉，去解码世界的奥秘，有些动物解码世界的感官装备甚至超出我们的想象。
北方锯声猫头鹰的利爪和敏锐视觉使其成为“暗夜杀手”。除此之外，北方锯声猫头鹰的独特之处在于大小不一的双耳。耳洞高度的差异使北方锯声猫头鹰听觉的准确性更高。因此，和其他种类的猫头鹰相比，北方锯声猫头鹰可以在全然黑暗的环境中更加准确定地位猎物位置。
■ 北方锯声猫头鹰的利爪和敏锐视觉使其成为“暗夜杀手”。除此之外，北方锯声猫头鹰的独特之处在于大小不一的双耳。耳洞高度的差异使北方锯声猫头鹰听觉的准确性更高。
月形天蚕蛾的超能力在于其异常发达的触角，它们是地球上嗅觉最灵敏的生物。雄性月形天蚕蛾可以在7英里的距离之外捕捉到雌蛾的气味。对于这些只有一周生命力的物种来说，不同寻常的嗅觉是其繁衍生命、延续种群的关键所在。
■ 月形天蚕蛾的超能力在于其异常发达的触角，它们是地球上嗅觉最灵敏的生物。
自然界的奇迹工程无处不在，也激发了人类的奇思妙想，许多发明因此诞生。科学家研究动物非凡的感官系统，发明出有益于人类的仿生设备。“致音波手杖”就是利用蝙蝠的回声定位能力帮助盲人“看见”，而目前正在研发的装有回声定位系统的轮椅则可为盲人提供更多的生活便利。与森林中毛刺的偶遇促使瑞士工程师乔治·德·梅斯特拉尔(Georges de Mestral)发明了维可牢。美国国家航空航天局（NASA）最早利用了这一技术，两英寸大小的维可牢足以承重173磅（80公斤），有效阻止了航天工具在太空中因为失重而漂走。
万物渺小且有灵。在适应自然，与天敌抗争的过程中，这些或大或小，形态各异的生灵进化出了各种巧妙契合力学原理、令人惊叹的生理结构和生存能力。生物机体内的每一个细胞都面临着生存挑战，永不停息的竞争催发出惊人的智慧、昂扬的斗志和蓬勃的生命力。适者生存，丛林法则虽然残酷，却是世界进化的根本动力。
■ 锤头鲨以头部的形状而得名，是自然界中长相最古怪的生物之一。其头部有左右两个突起，每个突起上各有一只眼睛和一个鼻孔，两只眼睛相距1米。因此，锤头鲨通过来回摇摆脑袋，可以看到周围360度范围内发生的情况，从而非常准确地定位猎物的方向和速度。
精彩版式呈现
本文原刊载于《文明》杂志2014年06期